(57)【要約】【課題】コストの増大を抑制しながら誘電体損を低減することが可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置は、シリコン上基板１０およびシリコン下基板２０と、シリコン上基板１０の主表面上に設けられる放射導体３０と、シリコン上基板１０およびシリコン下基板２０の間に設けられ、スロット部４００を有する接地導体４０と、接地導体４０と対向するようにシリコン下基板２０の裏面上に設けられた導電層５０と、シリコン下基板２０に形成された貫通孔６００内に設けられ、接地導体４０と導電層５０とを電気的に接続するコンタクト部６０とを備える。接地導体４０はコンタクト部６０に接する第１の膜４１と第１の膜４１上に形成される第２の膜４２と、第２の膜４２上に形成された第３の膜４３とを含む三層構造を有する。第１の膜４１は第２の膜４２に対して相対的にコンタクト部６０に含まれる半田６２との濡れ性が高い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１半導体基板と、
前記第１半導体基板との間に空洞を規定するように前記第１半導体基板の裏面上に設けられる第２半導体基板と、
前記第１半導体基板の主表面上に設けられる放射導体と、
前記第１と第２の半導体基板の間に設けられ、スロット部を有する接地導体と、
前記接地導体と対向するように前記第２半導体基板の裏面上に設けられた導電層と、
前記第２半導体基板に形成された貫通孔内に設けられ、前記接地導体と前記導電層とを電気的に接続するコンタクト部とを備え、
前記接地導体は前記コンタクト部に接する第１の接地導体層と該第１の接地導体層上に形成される第２の接地導体層とを含み、
前記第１の接地導体層は前記第２の接地導体層に対して相対的に前記コンタクト部を構成する素材との濡れ性が高い、アンテナ装置。
【請求項２】
前記接地導体は前記第２の接地導体層上に形成された第３の接地導体層をさらに含み、
前記第３の接地導体層上に設けられた接着層により前記第１と第２の半導体基板が接合され、
前記第３の接地導体層は、前記第１と第２の接地導体層よりも前記接着層との接合性が高い、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記第１と第２半導体基板はシリコン基板である、請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記コンタクト部は、錫−銅合金、錫−銀合金、錫−銀−銅合金、錫−亜鉛合金、錫−ビスマス合金、インジウム−錫合金、金−錫合金、錫−鉛合金からなる群のうち少なくとも１つの素材からなる半田材を含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記第１の接地導体層は、ニッケル、鉄、コバルト、錫、鉛またはこれらを主成分とする合金からなる群のうち少なくとも１つの素材を含む、請求項１から請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記第２の接地導体層は、クロム、チタン、モリブデン、タングステン、アルミニウム−シリコン合金、タングステン−シリコン合金からなる群のうち少なくとも１つの素材を含む、請求項１から請求項５のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記第３の接地導体層は、金を含んで構成される、請求項２から請求項６のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記接着層は、ベンゾシクロブテンまたはポリイミドを含む、請求項２から請求項７のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記導電層は前記コンタクト部に接する第１の導電層と該第１の導電層上に形成される第２の導電層とを含み、
前記第１の導電層は前記第２の導電層に対して相対的に前記コンタクト部を構成する素材との濡れ性が高い、請求項１から請求項８のいずれかに記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置に関し、特に、半導体基板上に放射導体および接地導体が設けられたアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に放射導体および接地導体が設けられたマイクロストリップアンテナが従来から知られている。たとえば、下記の「非特許文献１」においては、石英基板の主表面と裏面とにそれぞれ放射導体と接地導体とを設けてマイクロストリップアンテナを構成し、該アンテナの裏側にマイクロストリップ線路を有するモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）を接合したアンテナ装置が開示されている。
【０００３】
また、ベンゾシクロブテン基を含む接着材が従来から知られている。たとえば、特開平９−１７９１６号公報（特許文献１）においては、半導体チップと補助配線板との間隙を、ベンゾシクロブテン基を有する化合物を含有する樹脂組成物の硬化体層の形成により封止した半導体装置が開示されている。
【特許文献１】特開平９−１７９１６号公報
【非特許文献１】大嶺裕幸、外１名、「ＭＭＩＣ一体化ミリ波帯マイクロストリップアンテナの設計と試作」、電子情報通信学会論文誌  C-I Vol.J77-C-I No.11、pp.625-632、１９９４年１１月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に記載されているようなアンテナ装置においては、十分な帯域幅と高い放射効率を得るために、低誘電率の石英基板を用いている。この結果、製造コストが増大する。一方で、高誘電率のシリコン基板などを用いてアンテナ装置を構成した場合、誘電体損が増大することが懸念される。
【０００５】
また、上記とは別の観点では、非特許文献１に記載のアンテナ装置においては、ＧａＡｓ基板と石英基板とを隙間無く張り合わせる接着剤が必要であり、接着剤による誘電体損が生じるという問題点もあった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、コストの増大を抑制しながら誘電体損を低減することが可能なアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るアンテナ装置は、第１半導体基板と、第１半導体基板との間に空洞を規定するように第１半導体基板の裏面上に設けられる第２半導体基板と、第１半導体基板の主表面上に設けられる放射導体と、第１と第２の半導体基板の間に設けられ、スロット部を有する接地導体と、接地導体と対向するように第２半導体基板の裏面上に設けられた導電層と、第２半導体基板に形成された貫通孔内に設けられ、接地導体と導電層とを電気的に接続するコンタクト部とを備え、接地導体はコンタクト部に接する第１の接地導体層と該第１の接地導体層上に形成される第２の接地導体層とを含み、第１の接地導体層は第２の接地導体層に対して相対的にコンタクト部を構成する素材との濡れ性が高い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、アンテナ装置において、コストの増大を抑制しながら誘電体損を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
【００１０】
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量、材質などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量、材質などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
【００１１】
図１〜図３は、それぞれ、本発明の１つの実施の形態に係るアンテナ装置を示した上面図、断面図および斜視図である。図１〜図３を参照して、本実施の形態に係るアンテナ装置は、シリコン上基板１０と、シリコン下基板２０と、放射導体３０と、接地導体４０と、導電層５０と、コンタクト部６０と、接着層７０と、マイクロストリップライン８０と、電極パッド膜９０，１００と、半田バンプ１１０とを含んで構成される。
【００１２】
シリコン上基板１０の主表面上に凹部が形成され、該凹部の下側に薄いシリコン層が形成されている。シリコン上基板１０の主表面に形成された凹部の底には、放射導体３０が設けられる。
【００１３】
シリコン下基板２０の主表面上に凹部が形成されている。シリコン上基板１０とシリコン下基板２０とは、シリコン下基板２０の主表面に形成された凹部により、シリコン上基板１０とシリコン下基板２０との間に空洞を規定するように重ね合わされる。これにより、放射導体３０の下部に、シリコン層と空気層とが形成される。シリコン上基板１０の主表面に形成される凹部の深さと、シリコン下基板２０の主表面に形成される凹部の深さとを調整することで、放射導体３０の下部に形成されるシリコン層の厚みと空気層の厚みとを調整することができる。
【００１４】
シリコン上基板１０とシリコン下基板２０とは、接着層７０により接合される。接着層７０は、シリコン上基板１０およびシリコン下基板２０の周縁部に形成される。また、接着層７０は低誘電率な材料から構成される。接着層７０としては、たとえば、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）基やポリイミドを含むものが適用可能である。接着層７０としては、たとえば、感光性の接着剤が用いられる。
【００１５】
シリコン下基板２０の裏面上には、導電層５０およびマイクロストリップライン８０が形成される。接地導体４０と導電層５０とは、シリコン下基板２０内に形成されたコンタクト部６０により電気的に導通する。コンタクト部６０は、シリコン下基板２０に設けられた貫通孔６００内に形成され、下地膜６１と半田６２とを含む。半田６２の材料としては、錫−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）合金、錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）合金、錫−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）合金、錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）合金、錫−ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）合金、インジウム−錫（Ｉｎ−Ｓｎ）合金、金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）合金、錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）合金などの半田材料が用いられる。
【００１６】
接地導体４０は、第１〜第３の膜４１，４２，４３を含む。接地導体４０（第１〜第３の膜４１〜４３）には、スロット部４００が形成されている。第１の膜４１は、コンタクト部６０のストップ層であり、半田６２との拡散および合金化が穏やか（拡散のしやすさ、および、合金化のしやすさが中程度）な金属を含んで形成される。半田との拡散および合金化が穏やかな金属としては、たとえば、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）またはこれらを主成分とする合金が考えられる。第１の膜４１上に形成される第２の膜４２は、半田６２をはじく金属からなる「半田拡散防止膜」であり、たとえば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）、タングステン−シリコン（Ｗ−Ｓｉ）などの金属を含んで形成される。第２の膜４２上に形成される第３の膜４３は、たとえば金（Ａｕ）などの金属を含んで形成される。
【００１７】
第１の膜４１は第２の膜４２に対して相対的に半田６２との濡れ性が高く、第３の膜４３に対して相対的に半田６２との濡れ性が低い。
【００１８】
シリコン下基板２０と第１の膜４１との界面、第１の膜４１と第２の膜４２との界面および第２の膜４２と第３の膜４３との界面には、必要に応じて、密着強化膜としてクロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）などの金属膜を薄く挟んでもよい。
【００１９】
導電層５０は、キャップ膜５１とバリア膜５２とを含む。コンタクト部６０を覆うように設けられるキャップ膜５１は、半田６２との拡散および合金化が穏やかな金属（たとえば、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）またはこれらを主成分とする合金など）を含んで形成される。「半田拡散防止膜」であるバリア膜５２は、キャップ膜５１を覆うように形成され、たとえば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）、タングステン−シリコン（Ｗ−Ｓｉ）などの金属を含んで形成される。なお、バリア膜５２とマイクロストリップライン８０とを同時に形成する場合には、低抵抗な材料が好ましいため、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）が好適である。バリア膜５２およびマイクロストリップライン８０上には、半田バンプ１１０の下地膜として電極パッド膜９０，１００が形成される。電極パッド膜９０は、半田との拡散および合金化が穏やかな金属（たとえば、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）またはこれらを主成分とする合金など）を含んで構成され、電極パッド膜１００は、たとえば金を含んで構成される。なお、各金属膜の界面には、必要に応じて、密着強化膜としてクロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）などの金属膜を薄く挟んでもよい。
【００２０】
次に、アンテナ装置の製造プロセスについて説明する。
まず、シリコン上基板１０，２０に、それぞれ、片側からウエットエッチングまたはドライエッチングが施され、シリコンが除肉される。これにより、シリコン上基板１０，２０の主表面上に凹部が形成される。そして、シリコン上基板１０の主表面に形成された凹部に、放射導体３０が設けられる。
【００２１】
次に、シリコン下基板２０の主表面上に、第１〜第３の膜４１〜４３が、スパッタなどの手法で成膜される。
【００２２】
次に、レジストマスクを用いて、第１〜第３の膜４１〜４３に、スロット部４００の開口部をイオンビームエッチングなどの手法により形成する。そして、凹部が形成された面に対して反対側に位置するシリコン下基板２０の裏面から、ドライエッチングを用いて貫通孔６００が形成される。貫通孔６００の側壁および穴底に、スパッタやメッキなどにより、下地膜６１が成膜される。次に、半田６２が貫通孔６００内に充填される。そして、シリコン下基板２０の裏面上で半田６２を覆うようにキャップ膜５１およびバリア膜５２が形成される。キャップ膜５１およびバリア膜５２はスパッタなどの手法で成膜され、レジストマスクでイオンビームエッチングによりパターニングされる。なお、バリア膜５２の形成と同時に、マイクロストリップライン８０が形成される。
【００２３】
次に、電極パッド膜９０，１００がスパッタなどの手法で成膜され、レジストマスクでイオンビームエッチングによりパターニングされる。そして、シリコン上基板１０とシリコン下基板２０とが接着層７０により接合される。最後に、半田バンプ１１０が搭載されて、「アンテナ装置」であるシリコンパッチアンテナ素子が完成する。
【００２４】
次に、上記構造による作用効果について説明する。
シリコン上基板１０とシリコン下基板２０との間に設けられる接着層７０は、低誘電率の素材から構成され、接着層７０は素子外周部に形成されているので、信号伝達路に接着層が存在しないことにより、信号伝達時に生じる誘電体損が低減される。結果として、特性劣化の少ないパッチアンテナ素子を形成できる。
【００２５】
貫通孔６００のストップ層となる第１の膜４１を、半田６２との拡散および合金化が穏やかな金属（すなわち、半田との濡れ性が中程度の金属）を用いて形成することで、コンタクト部６０と接地導体４０との間に空気層が生じたり、貫通孔６００内で半田充填不足が生じたりすることを抑制することができる。仮に、第１の膜４１を構成する金属として、半田拡散防止膜として利用される金属（すなわち、半田との濡れ性が低い金属）を選択した場合、充填時に半田６２がビア穴底ではじかれるため、半田６２がビア穴底まで充填されず、空気層が界面に残り、導通の信頼性が低下する。また、仮に、第１の膜４１を構成する金属として、たとえば金などの半田と非常によく合金化する金属（すなわち、半田との濡れ性が高い金属）を選択した場合、充填時に半田６２と金属膜との合金化が過度に進み、この金属膜を伝って半田６２が濡れ広がるため、貫通孔６００内の半田６２が吸い出されて貫通孔６００内が半田充填不足となり、導通の信頼性が低下する。これに対し、半田との拡散および合金化が穏やかな金属を用いて第１の膜４１を構成すれば、貫通孔６００の底部で半田合金が形成されるため、半田６２がビア穴底まで密に充填され、また、半田６２が貫通孔６００内から吸い出されることも起こらないため、確実に電気的導通がとれる。
【００２６】
また、仮に第２の膜４２を介さず第３の膜４３を直接第１の膜４１上に成膜した場合、基板接合やフリップチップ工程時に印加される熱により、半田６２が第１の膜４１を突き抜けて第３の膜４３へ拡散することが懸念される。これに対し、第１と第３の膜４１，４３の間に第２の膜４２を形成することで、半田６２の拡散が確実に防止される。
【００２７】
また、金膜である第３の膜４３は、基板接合時やフリップチップ工程において熱が印加されても安定していて、経時変化を生じない。また、接着層７０との接合性もよい。したがって、シリコン上基板１０とシリコン下基板２０との接合の信頼性が向上する。
【００２８】
本実施の形態では、シリコン基板を用いてアンテナ装置を構成することで、アンテナ装置の製造コストの増大を抑制することができる。しかしながら、シリコン基板は、たとえば石英基板やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板などと比較すると、高誘電正接、高誘電率であるため、シリコン基板を用いたアンテナ装置では、誘電体損が大きくなる傾向にある。したがって、シリコン基板を用いたアンテナ装置では、誘電体損を低減するための構成が必要になる。これに対し、本実施の形態に係るアンテナ装置においては、シリコン上基板１０とシリコン下基板２０との間に空気層を形成することで、誘電体損を低減している。なお、放射導体３０と空気層との間に位置するシリコン上基板１０の厚みは、シリコン上基板１０の主表面に形成される凹部の深さにより制御され、空気層の厚みは、シリコン下基板２０の主表面に形成される凹部の深さにより制御されている。また、接地導体４０と導電層５０との間に無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の電流が流される場合、アンテナ装置での誘電体損が大きくなる傾向にある。本実施の形態に係るアンテナ装置においては、シリコン下基板２０を挟持する接地導体４０と導電層５０との間に多数のコンタクト部６０を設けることで、誘電体損を低減している。本実施の形態においては、上記のように、接地導体４０および導電層５０とコンタクト部６０との電気的導通の信頼性が高いため、誘電体損を確実に低減することができる。
【００２９】
上述した構成について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係るアンテナ装置は、「第１半導体基板」としてのシリコン上基板１０と、シリコン上基板１０との間に空洞を規定するようにシリコン上基板１０の裏面上に設けられる「第２半導体基板」としてのシリコン下基板２０と、シリコン上基板１０の主表面上に設けられる放射導体３０と、シリコン上基板１０およびシリコン下基板２０の間に設けられ、スロット部４００を有する接地導体４０と、接地導体４０と対向するようにシリコン下基板２０の裏面上に設けられた導電層５０と、シリコン下基板２０に形成された貫通孔６００内に設けられ、接地導体４０と導電層５０とを電気的に接続するコンタクト部６０とを備える。接地導体４０はコンタクト部６０に接する「第１の接地導体層」としての第１の膜４１と第１の膜４１上に形成される「第２の接地導体層」としての第２の膜４２と、第２の膜４２上に形成された「第３の接地導体層」としての第３の膜４３とを含む三層構造を有する。第１の膜４１は第２の膜４２に対して相対的にコンタクト部６０を構成する素材である半田６２との濡れ性が高い。
【００３０】
上記構成によれば、第１の膜４１と半田６２との濡れ性が高いことで、コンタクト部６０による接地導体４０と導電層５０との電気的導通の信頼性が向上する。結果として、誘電体損の抑制されたアンテナ装置が得られる。
【００３１】
なお、接地導体４０は、第２の膜４２上に形成された第３の膜４３をさらに含み、第３の膜４３上に設けられた接着層７０によりシリコン上基板１０とシリコン下基板２０とが接合され、第３の膜４３は、第１と第２の膜４１，４２よりも接着層７０との接合性が高い。これにより、シリコン上基板１０とシリコン下基板２０との接合の信頼性を高めることができる。
【００３２】
また、コンタクト部６０を挟んで接地導体４０と対向する導電層５０は、コンタクト部６０に接する「第１の導電層」としてのキャップ膜５１とキャップ膜５１上に形成される「第２の導電層」としてのバリア膜５２とを含む。キャップ膜５１はバリア膜５２に対して相対的に半田６２との濡れ性が高い。これにより、コンタクト部６０による接地導体４０と導電層５０との電気的導通の信頼性がさらに向上する。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係るアンテナ装置を示す上面図である。
【図２】本発明の１つの実施の形態に係るアンテナ装置を示す断面図である。
【図３】本発明の１つの実施の形態に係るアンテナ装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  シリコン上基板、２０  シリコン下基板、３０  放射導体、４０  接地導体、４１  第１の膜、４２  第２の膜、４３  第３の膜、５０  導電層、５１  キャップ膜、５２  バリア膜、６０  コンタクト部、６１  下地膜、６２  半田、７０  接着層、８０  マイクロストリップライン、９０，１００  電極パッド膜、１１０  半田バンプ、４００  スロット部、６００  貫通孔。
【図１】
2007324712.tif 000003
【図２】
2007324712.tif 000004
【図３】
2007324712.tif 000005